基于C8051和μC/OS-Ⅱ的數(shù)控機(jī)床嵌入式執(zhí)行控制器實現(xiàn)

在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中，功能模塊可分為兩大部分：一部分是實時性要求不高的功能，例如人機(jī)界面交互管理等;另一部分是實時性要求高的功能，主要有伺服控制、插補(bǔ)計算等。根據(jù)這一特點(diǎn)，該系統(tǒng)采用兩級控制結(jié)構(gòu)，利用 IPC豐富的軟件資源，提供圖形化的人機(jī)交互環(huán)境;利用嵌入式執(zhí)行控制器的高實時性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)快速、可靠的控制，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)點(diǎn)。兩級之間用串行口進(jìn)行實時通信。本文主要介紹嵌入式執(zhí)行控制器的實現(xiàn)。

1 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，IPC作為上位機(jī)，安裝有專用軟件，實現(xiàn)人機(jī)交互;C8051020 芯片及其外圍電路構(gòu)成的嵌入式執(zhí)行控制器作為下位機(jī)，負(fù)責(zé)實時、可靠的控制。執(zhí)行控制器通過串行口接收上位機(jī)的命令信息(包括：插補(bǔ)命令、開關(guān)量控制命令)，再將這些信息轉(zhuǎn)換成控制信號輸送給相應(yīng)的執(zhí)行部件。例如，將插補(bǔ)命令轉(zhuǎn)換成一連串的插補(bǔ)信號，輸送給電機(jī)控制部件;將開關(guān)量控制命令轉(zhuǎn)換成輸出信號，通過I/O驅(qū)動隔離接口板輸送給相應(yīng)的開關(guān)控制器。執(zhí)行控制器同時還有2個檢測任務(wù)：一個是刀具是否運(yùn)動到各軸限位點(diǎn)的檢測，另一個是間隙電壓的檢測。這兩個信息將為運(yùn)動時的自動調(diào)節(jié)控制提供依據(jù)。執(zhí)行控制器還負(fù)責(zé)將運(yùn)行中的狀態(tài)信息組裝成幀，實時地傳送給上位機(jī)。

2 μC/OS-Ⅱ在C8051F020上的移植

要使用μC/OS-Ⅱ，首先就必須把這個內(nèi)核成功地移植到C805lF020上。μC/OS-Ⅱ的移植主要是對OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_ C.C三個文件進(jìn)行修改，下面就具體的修改內(nèi)容做介紹。

2.1 OS_CPU.H文件的修改

OS_CPU.H包括了用#define定義的與處理器相關(guān)的常量、宏和類型定義。其中，需要修改的部分如下：

2.2 OS_CPU_A.ASM文件的修改

該文件包含4個匯編語言函數(shù)。

(1)OSStartHighRdy()函數(shù)在多任務(wù)系統(tǒng)啟動函數(shù)OSStart()中調(diào)用。作用是設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行標(biāo)志位OSRunning=TRUE;將就緒表中最高優(yōu)先級任務(wù)的棧指針Load到SP中，并強(qiáng)制中斷返回。

(2)OSCtxSw()函數(shù)是在任務(wù)級切換函數(shù)中調(diào)用的。作用是保存當(dāng)前任務(wù)的環(huán)境變量，將當(dāng)前SP存入任務(wù)TCB中，載入就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的SP，恢復(fù)就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的環(huán)境變量，中斷返回。這樣就完成了任務(wù)級的切換。

(3)OSIntCtxSw()在退出中斷服務(wù)函數(shù)OSIntExit()中調(diào)用。作用是實現(xiàn)中斷級任務(wù)切換。

(4)OSTIcklSR()系統(tǒng)時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)，其周期的大小決定了內(nèi)核所能給應(yīng)用系統(tǒng)提供的最小時間間隔服務(wù)。該中斷由C8051F020的TO定時器完成，設(shè)置定時時間為20 ms。修改代碼如下：

其中：TOVAL是16位定時器T0的時間常數(shù)，該系統(tǒng)采用25 MHz的外接晶振，模式1(16位)定時。

2.3 OS_CPU_C.C文件的修改

該文件中定義10個C函數(shù)，如下：

其中，最重要的是OSTaskStklnit()，它的作用是初始化堆棧，返回堆棧的最低地址、堆棧的長度，方便匯編語言實現(xiàn)任務(wù)的切換。其他9個函數(shù)是暫無具體功能，其功能可以根據(jù)需要在系統(tǒng)內(nèi)核擴(kuò)展時添加。

3 基于μC/OS-Ⅱ的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計

3.1 執(zhí)行控制器的軟件結(jié)構(gòu)

如圖2所示，系統(tǒng)總體分為3個功能塊，即：與IPC的通信、命令解釋和命令執(zhí)行。其中，通信有發(fā)送和接收兩方面內(nèi)容;命令解釋時，直接執(zhí)行開關(guān)量控制命令;命令執(zhí)行中，需要進(jìn)行插補(bǔ)計算、檢測間隙電壓和限位開關(guān)狀態(tài)及加工監(jiān)測。

3.2 任務(wù)劃分及其優(yōu)先級的確足

(1)發(fā)送任務(wù)

嵌入式執(zhí)行控制器發(fā)送給IPC的信息有2種：聯(lián)絡(luò)信號和運(yùn)行中的狀態(tài)信息。嵌入式執(zhí)行控制器處于待命狀態(tài)時，定期向IPC發(fā)送聯(lián)絡(luò)信號，用于確定IPC是否正常工作。若IPC運(yùn)行正常，則IPC收到聯(lián)絡(luò)信號后，會回送給嵌入式執(zhí)行控制器一個應(yīng)答信號，若發(fā)送的多次聯(lián)絡(luò)信號都未收到應(yīng)答，則認(rèn)為IPC出錯。嵌入式執(zhí)行器處于加工狀態(tài)時，將運(yùn)行中的狀態(tài)信息以固定格式定期向IPC發(fā)送。IPC收到信息后，將其轉(zhuǎn)換成圖形、文字等信息顯示出來，提供給操作員，便于實時掌握加工狀態(tài)，發(fā)送任務(wù)的實時性要求低。

(2)接收任務(wù)

嵌入式執(zhí)行控制器接收IPC機(jī)發(fā)送的聯(lián)絡(luò)、應(yīng)答和命令3種信息，若接收到聯(lián)絡(luò)信號或應(yīng)答信號，則接收任務(wù)直接處理(發(fā)送應(yīng)答信號或刷新聯(lián)絡(luò)狀態(tài)位);若既不是聯(lián)絡(luò)信號也不是應(yīng)答信號，則認(rèn)為是命令信息，接收任務(wù)將命令完整接收后，關(guān)閉寫接收緩沖區(qū)，激活命令解釋任務(wù)。接收任務(wù)是由通信口接收中斷觸發(fā)的，其實時性要求高。

(3)命令解釋任務(wù)

命令解釋任務(wù)首先對接收緩沖區(qū)的命令信息進(jìn)行校驗和解釋，處理完成后，清空并開放接收緩沖區(qū)，允許新命令的接收。這樣做的目的是不在接收緩沖區(qū)中積壓多條命令，在當(dāng)前命令解釋完成之前，不接收新命令，以提高嵌入式執(zhí)行控制器對命令的響應(yīng)速度。根據(jù)命令執(zhí)行時間的長短，將命令分為開關(guān)量控制命令和插補(bǔ)命令2 種。開關(guān)量控制命令的執(zhí)行時間短，因此在命令解釋后直接執(zhí)行，以減少任務(wù)切換的時間消耗。插補(bǔ)命令是加工命令，運(yùn)行時間長，采用專門的加工監(jiān)控任務(wù)來執(zhí)行，命令解釋任務(wù)只負(fù)責(zé)在命令解釋完成后激活加工監(jiān)控任務(wù)。命令解釋任務(wù)的實時性要求高。

(4)加工監(jiān)控任務(wù)

加工監(jiān)控任務(wù)根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)(手動方式或自動方式)激活插補(bǔ)計算任務(wù)，并進(jìn)行加工狀態(tài)的監(jiān)控。手動工作方式下，操作員在PC機(jī)上手動控制刀具向 -x，+x，-y，+y，-z，+z六個方向運(yùn)動、刀具返回基準(zhǔn)點(diǎn)、端面找正和孔中心定位等操作。自動工作方式下，操作員向控制器傳送直線、圓弧的運(yùn)動命令，控制器自動完成該線形的運(yùn)動。加工監(jiān)控任務(wù)的實時性要求較高。

(5)插補(bǔ)計算任務(wù)

插補(bǔ)計算任務(wù)是計算輪廓起點(diǎn)和終點(diǎn)的中間點(diǎn)坐標(biāo)值。本系統(tǒng)采用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行插補(bǔ)，插補(bǔ)任務(wù)每執(zhí)行1次產(chǎn)生1個行程增量，每個行程增量以1個脈沖的方式輸出給步進(jìn)電機(jī)。插補(bǔ)任務(wù)的運(yùn)行周期可能低于操作系統(tǒng)時鐘，達(dá)到每秒數(shù)千次，因此使用定時器1作為插補(bǔ)運(yùn)動時間控制器。插補(bǔ)計算任務(wù)在該軟件中的實時性要求最高。

(6)間隙電壓檢測和限位開關(guān)狀態(tài)檢測任務(wù)

該系統(tǒng)用于電火花線切割數(shù)控機(jī)床，間隙電壓是電火花加工時工具(電極絲)與工件之間的放電電壓，該數(shù)據(jù)是對放電加工過程進(jìn)行實時檢測的重要參數(shù)，需要實時采集。限位開關(guān)是指刀具運(yùn)動到加工臺邊界位置時，觸發(fā)的一個狀態(tài)開關(guān)。當(dāng)?shù)竭_(dá)這個感應(yīng)開關(guān)時刀具應(yīng)該停止工作，起到一個保護(hù)作用，也就是限定了運(yùn)動的位移，該信息也需要實時采集。這兩個任務(wù)具有實時性高，執(zhí)行頻繁，執(zhí)行時間短的特點(diǎn)，因此把它們設(shè)為一個檢測任務(wù)。與插補(bǔ)任務(wù)相同，由于檢測任務(wù)的運(yùn)行周期低于操作系統(tǒng)時鐘，因此使用定時器3作為檢測任務(wù)的時間觸發(fā)器。

上面將實現(xiàn)的功能劃分為6個任務(wù)，介紹這些任務(wù)的功能，并對其實時性要求做了分析。上述任務(wù)劃分如表1所示。

3.3 任務(wù)間通信

在完成任務(wù)劃分后，還需要考慮任務(wù)的通信和同步。發(fā)送任務(wù)與檢測任務(wù)是獨(dú)立的，接收任務(wù)、命令解釋任務(wù)和加工監(jiān)控任務(wù)存在聯(lián)系，如圖3所示，這里需要使用信號量和郵箱解決任務(wù)間的通信同步。

(1)命令信號量SemCmd。當(dāng)接收任務(wù)接收到一條命令信息時，發(fā)出該信號量，由命令解釋任務(wù)接收，取出并解釋命令后，清除該信號量，允許接收新命令。

(2)加工啟動消息郵箱Mbox。當(dāng)命令解釋任務(wù)發(fā)現(xiàn)命令信息為插補(bǔ)命令時，將信息翻譯成約定格式存入郵箱，發(fā)送出去，加工監(jiān)控任務(wù)接收。

4 實驗結(jié)果

實驗測試，IPC通過串口向執(zhí)行控制器發(fā)送直線插補(bǔ)命令G01X1000Y2000LF，如圖4所示，觀察返回信息中的x，y軸坐標(biāo)，各點(diǎn)基本分布于點(diǎn)(O，O)與點(diǎn)(1000，2 000)的直線周圍，誤差小于1個運(yùn)動當(dāng)量，這說明整個系統(tǒng)運(yùn)行正常。

5 結(jié)語

C8051F020處理器具有豐富的硬件資源和強(qiáng)大的處理性能，μC/OS-Ⅱ具有實時性高，通用性好，移植、擴(kuò)展方便等特點(diǎn)?；谠撥浻布脚_，可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高產(chǎn)品的開發(fā)速度。經(jīng)驗證，該硬軟件系統(tǒng)能滿足該數(shù)控系統(tǒng)的要求，具有可行性。